大坝监测资料.docx
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大坝监测资料
四、监测仪器的分类
变形观测仪器
沉降仪
水管式沉降仪
电磁式沉降仪
静力水准仪
横臂式沉降仪
测斜仪
伺服加速度计式测斜仪
电阻应变片式测斜仪
振弦式测斜仪
倾斜仪
位移计
引张线式水平位移计
滑动电阻式位移计
振弦式位移计
测缝计
滑动电阻式测缝计
振弦式测缝计
差动电阻式测缝计
光学仪器
大坝视准仪
全站仪
渗流观测仪器
孔隙水压力计
测压管
渗漏水量观测仪
压力（应力）观测仪器
孔隙水压力计
振弦式孔隙水压力计
差动电阻式孔隙水压力计
双水管封闭式孔隙水压力计
压阻式孔隙水压力计
气压式孔隙水压力计
土压力计
振弦式土压力计
差动电阻式土压力计
气压式土压力计
温度观测仪器
铜电阻温度计
动态观测仪器
动孔隙水压力计
动土压力计
动位移计
加速度计
接受仪表
振弦式仪器接受仪表
差动电阻式仪器接受仪表
压阻式仪器接受仪表
气压式仪器接受仪表
伺服加速度计式仪器接受仪表
电阻式仪器接受仪表
电阻应变片式仪器接受仪表
电容式仪器接受仪表
电平仪接受仪表
电感调频式仪器接受仪表
五、两种主要监测仪器的基本原理
1、振弦式仪器
①发展历史
最早开发振弦式仪器的国家是前苏联，时间约在20世纪30年代初。
弦式传感器法国的TELEMAC公司在三十年代中期即研制开发,三十年代末投入正式应用,至今已有70多年的历史，1999年TELEMAC公司因经营不善及软件对克因公司的过分依赖，导致被加拿大ROCTEST公司收购。
五十年代,美国（如SINCO公司）、德国、意大利,加拿大（ROCTEST公司）等国家相继开发了不同型式的弦式仪器。
1996——2002年中加合作项目引进的主要是ROCTEST公司的监测仪器和美国GEOMATION公司的数据采集系统。
我国对弦式仪器的开发研制,始于六十年代初,由上海城建局和南京水利科学研究院土材所研制、应用。
弦式仪器在我国土石坝原型观测中的应用始于1965年,首先在浙江横山水库试用并取得成功,正常运用达二十六年之久。
国内的仪器生产史已近40年，客观的讲，国内振弦式仪器的生产当以南京水科院为最早，在20世纪末国内10数家上产厂家的技术基本上源于水科院。
但真正的发展和技术上进步应属于近5年的事，不管是性能、系列还是外在质量，都取得长足的进步，应用领域进一步拓宽，在水利工程、地基加固及石油化工等领域都得到广泛应用,在水利工程上的应用前景是广阔的。
70年的历史说明：
②振弦式孔隙水压力计工作原理
124
1.承压膜
p2.钢弦
3.线圈
4.支架
3
传感器结构示意图
特点
●非电量测量，基本不受接引线长度影响，信号传输距离可达1km，经特殊处理，信号可传输数公里。
●结构简单，长期稳定性好。
●易于实现自动化。
2、差阻式仪器
①差动的概念
首先，差动是减小非线性的一种技术措施，目的在于消除或减小由于结构原因引起的共模误差，基本原理如下：
设一传感器之输出为：
Y1=a0+a1X+a2X2+a3X3+a4X4+……….
（1）
另一个相同的传感器，但其输入量符号相反，它的输出为
Y2=a0－a1X+a2X2－a3X3+a4X4－……….
（2）
（1）－
（2）即为：
ΔY=2（+a1X+a3X3+……）
这样，总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到的是对称于原点的相当宽的近似线性范围，在减小非线性的同时，使传感器灵敏度提高一倍，且抵消了共模误差（如温度误差）。
②测量方式
A五芯测量
5线制所测得的结果将不受接长电缆长度（﹤5km）的影响。
B三芯测量
3线制所测得的结果将直接受到接长电缆长度的影响。
C四芯测量
4线制所测得的结果将间接受到接长电缆长度的影响。
建议有条件的工程采用5线测量方式。
六、主要监测仪器简介
（一）变形观测仪器
1、光学仪器
经纬仪、水准仪、大坝视准仪、全站仪。
根据工程测量精度的需要，选择相应的精度等级的观测仪器。
国产经纬仪、水准仪可选厂家较多，北光、苏光、南京1002厂仪器均较成熟，可供选购。
水准仪建议选择自动安平式正像产品，观测便捷（价格1000～100000元不等）。
配套设施，如固定觇标、移动觇标、强制对中装置根据经济条件及观测精度要求，可选择南京1002厂或成都飞翔机械厂产品。
大坝视准仪虽在工程中有一定运用，但据用户反映，效果欠佳，最好不用。
全站仪是一种兼有电子测距、电子测角、计算和数据记录及传输功能的自动化、数字化的三维坐标测量与定位系统，用于大坝变形观测，不仅便捷、准确，而且减少了传统意义上的人为观测误差及资料整编分析中的可能造成的数据差错。
全站仪选型建议有条件的工程选用瑞士徕卡公司生产的TCA2003型红外线电子全站仪，其基本精度指标为0.5//，1mm+1pmm；如受资金条件限制，美国天宝公司的56系列产品或德国蔡司的产品也可选用；如条件差距大，不必勉强降格选用国产或日产产品，建议选用常规光学测量仪器。
光学测量仪器从精度、稳定性、适用性、功能型、耐久性、长期可靠性等方面衡量，西洋货远优于东洋产品。
注意：
如采用全站仪精心变形观测，工作基点站的设置应可靠、方便，在地形条件许可，工作基点应尽量多设，以确保观测网的可靠性和相互校核，即使受地形限制，仍建议至少设4个工作基点，避免因个别基点遭到破坏导致的基点网的无法恢复的破坏。
基点站的设置应注意以下几点：
1角网最小夹角不小于30°。
2全站仪不能直接用于高程测量，强制对中装置的设计使用、棱镜的安装、保护应与供货商充分论证，并定制适合于高程测量的棱镜安装装置。
3十字丝棱镜选用设备生产厂家地原配棱镜当然是好的，但价格太高；目前国产棱镜如苏州春光仪器厂的产品品质能够满足观测需要，价格只有进口产品的1/4。
4全自动观测还是需要时分组人工观测，根据工程情况、测量频率确定。
5基点网的构建示意图见下图。
2、变形观测仪器
①沉降仪
A水管式沉降仪
用途及使用范围
用于监测土石坝施工期和运行期间坝体内固结和沉降（垂直位移）情况，从而判断坝体的稳定性。
适用于大变形、施工期埋设，可实现自动化测量。
仪器的工作原理和基本结构
水管式沉降仪观测坝体内部沉降是利用液体在连通管两端的水面最终会形成同一水平面的原理制成。
如下图所示。
如果大坝内部某测点没有沉降发生，观测房测量管水位不会产生变化；反之，如埋设在坝体内部的测头随坝体下降，则坝面测量管水位也跟随下降。
从而，判断出大坝内部某一测点相对于观测房的沉降值。
主要技术参数
测量范围：
0～100cm
测量精度：
±2mm
环境温度范围：
可以在-20℃～+60℃的环境温度下工作（摄氏零度以下测管内使用“防冻液”）。
读数稳定时间：
一个测头从开始溢流到测管水位稳定（即两端水平）所需时间约为3分钟左右。
B电磁式沉降仪
沉降量的测量由两大部分组成：
一是地下材料埋入部分，由沉降导管和底盖、沉降磁环组成；二是地面接收仪器，由钢尺沉降仪、测头、测量电缆、接收系统和绕线盘等部分组成，观测精度约±2mm。
沉降管的埋设安装有2种方式：
一为施工期埋设——此种埋设方式沉降磁环可正确定位，但在施工期间沉降管保护较困难，管周围需人工夯实；二为已建坝钻孔埋设——能够避开施工干扰，但钻孔封堵应到位，沉降磁环定位准确度欠佳。
一般情况下，沉降和水平位移观测共用1根管，即测斜沉降管。
管从材质上大致分为PVC管和铝合金管；管内径基本为φ45和φ60两种。
建议：
施工期埋设采用铝合金管；管内径应与测斜仪规格匹配。
C静力水准仪
静力水准仪是测量两点或多点间相对高程变化的精密仪器，液体静力水准仪又称连同管水准仪，与水管式沉降仪原理相同，可以认为静力水准系统是一种高精度的水管沉降系统，其仪器型式有电容感应式、差动变压器式和振弦式。
其中前两种型式可分辨0.01mm，后者0.05～0.15mm。
国内常用的电容感应式仪器以南瑞RJ型电容式静力水准仪为代表，其性能指标如下：
●量程：
20,40,50,100mm
●分辨率:
0.01mm
●精度:
±0.1～±0.3mm
●长期零飘:
<0.5％F.S./年
●温度系数:
<0.05％F.S./℃
●环境温度:
－30℃～＋60℃
振弦式静力水准监测仪器以基康4675型沉降监测系统为代表，它是由一系列带液位传感器的储液罐组成，储液罐由一根充液管互相连通。
基准罐置于一个稳定的标点，而其他的储液罐置于标高大致相同的不同位置，当任何一个储液罐相对于基准罐发生沉降时，将引起该罐内液面的上升或下降。
本系统特别适合那些要求高分辨率的关键场合，可以检测出小到0.05～0.15mm的沉降变化。
4675仪器性能指标如下：
技术参数
测量范围（mm）
150300600
精度
±0.1%F.S.（0.150.300.60mm）
灵敏度
0.025%F.S.（0.03750.0750.15mm）
温度范围（℃）
－20～+65
稳定性
±0.05%F.S.
配套设备
BGK2-250V6四芯屏蔽电缆
通液/通气管
BGK-408（选购）振弦式读数仪
2测斜仪
A伺服加速度计式测斜仪
伺服加速度计式测斜仪敏感元件是伺服加速度计，有单项和双向两种（－、＋）,国内厂家有航天部33所、南京自动化设备厂，国外有GEOKON、SINCO、SOIL、ROCTEST等，使用精度基本相当，进口仪器稍高但价格相差大（1:
5）。
测斜仪
测斜仪与测斜管一起使用，测量边坡，滑坡、大坝、道基和回填的横向变形，也可以用来测量墙洞，矿井、隧道、船坞、抗滑桩和板桩的偏移。
测斜仪的防水不锈钢壳内装有两个力平衡伺服加速器可同时测出两个方向的位移。
可选购不锈钢携带箱。
技术参数
标准量程
±53°
灵敏度
±10弧秒（±0.05mm/m）
系统总精度
±6mm/30m
温度范围
0℃～50℃
长度×直径
700×25mm
测斜管尺寸
50～90mm
轮距
0.5m
B电阻应变片式测斜仪
电阻应变片式测斜仪外部结构、尺寸与伺服加速度计式测斜仪基本相同，不同的是：
它的敏感元件是由应变梁和重锤组成的弹性摆，测量范围±10°，精度比伺服加速度计式测斜仪低，但价格也只是其1/5左右。
C固定式测斜仪
振弦式测斜仪外部结构、尺寸与伺服加速度计式测斜仪基本相同，不同的是：
它的敏感元件也是一个弹性摆，测量范围±10°。
振弦式固定测斜仪
振弦式固定测斜仪与接近垂直的测斜管配套使用，测量横向水平位移，使用原理类似于伺服加速度式测斜仪，其安装为固定式，即设定的固定测斜仪系统固定安装在测斜管里，以便自动及连续的监测，可以串连数个传感器（蜈蚣式串接）以获得剖面位移图。
技术参数
标准量程
±10°
灵敏度
±10弧秒（±0.05mm/m
精度
±0.1%F.S
温度范围
-20℃～80℃
长度×直径
178×32mm
D倾斜仪
a）便携式倾斜仪
6021型倾斜仪是一种便携式仪器，用于测量诸如大楼、大坝、堤坝等结构的倾斜，也可用来测量边坡、坑口、洞壁（如泥浆墙）等的相对稳定性。
陶瓷或黄铜的倾斜板永久的装在被监测的垂直或水平的结构上，测量时，倾斜仪放在倾斜板上使用。
技术参数
标准量程
±30°
灵敏度
±10弧秒（±0.05mm/m）
精度
±0.1％F.S
尺输出
±5VDC
温度范围
0℃～50℃
冲击值
1000g
长×宽×高
159×89×143mm
b）6350型振弦式倾斜仪
6350型振弦倾斜仪用于测量诸如大楼，大坝和堤坝等结构的倾斜，也可以用来测量坡，井口和墙洞（如泥浆墙）等的相对稳定性。
本倾斜仪永久的装在被监测的结构上，并可以在水平或垂直表面上进行测量。
技术参数
标准量程
±10°
灵敏度
±10弧秒（±0.05mm/m）
精度
±0.1％F.S
温度范围
-20℃～80℃
长度×直径
159×32mm
c）6700型电测水平梁
6700型用来测量大坝、建筑、隧道、堤坝和连续墙等结构的角位移。
它易于安装、成本低、可代替加速仪式传感器沉降系统。
可提供水平或垂直型号来测量各向位移差和倾斜。
技术参数
标准量程
±15弧分，±1°±3°
灵敏度
0.03%F.S.R
重复性
±0.1%F.S
温度范围
-20℃～50℃
最大热误差
0.2%F.S/℃
传感器阻抗
550Ω
梁身长度
1、2m
③位移计
A引张线式水平位移计
引张线式水平位移计是由受张拉的铟瓦合金钢丝构成的机械式水平位移测量装置。
适用于土石坝施工期埋设、初运行期观测；或用于混凝土坝运行期观测。
选型前提：
具备适合的安装空间。
特点：
测量范围大，结构简单、耐久性好，观测数据直观可靠。
B滑动电阻式位移计
滑动电阻式位移计传感元件是一种直滑式合成型电位器（日本进口），建立不同的位移量与电位器滑动臂所在位置产生分压的函数关系，通过数字电压表测出这一电压变化，即可推算出位移量。
适用于土石坝施工期内部埋设、初运行期观测；已建土石坝开挖埋设；面板坝周边缝观测，可承受约1MPa水压。
特点：
测量范围大（50、100、150、200mm），结构简单、耐久性好。
但接线应于安装前率定。
2只、3只位移的组合，可组成两向或三向位移计，注意：
两向、三向位移计支架须专门制作，铰接为万向铰，否则无法反映2向或3向变形。
C振弦式位移计
a）埋入式测缝仪（位移计）
埋入式测缝仪用于测量结构间的裂缝，例如在混凝土大坝块体之间的裂缝，它通常是横跨结合部，以监测接缝的开合，仪器内部的万向节能适应一定程度的剪切运动。
技术参数
标准量程
25，50,100mm
灵敏度
0.02%量程
精度
±0.1%F.S
非线性
<0.5%F.S
温度范围
-20℃～80℃
长度×直径
200×45，405×51mm
b）裂缝计（位移计）（表面型）
裂缝计用来测量表面裂缝和接缝的变化，它可通过灌浆、栓固或将两个带球绞的螺杆固定到裂缝的两侧。
技术参数
标准量程
25，50，100mm
灵敏度
0.02%量程
精度
±0.1%F.S
非线性
<0.5%F.S
温度范围
-20℃～80℃
直径
8mm（滑杆）/25mm（线圈）
长度
318，362，527mm
D多点位移计
多点变位计是将3～4支测缝计组合在一起，按不同深度梯度埋设，用于测量同一测孔中不同深度裂缝的开合度。
适用于隧洞、厂房、洞室、边坡、坝基等不同深度的变位观测。
④测缝计
A滑动电阻式测缝计
见滑动电阻式位移计
B振弦式测缝计
见振弦式位移计
C差动电阻式测缝计
测缝计用于埋设在水工建筑物及其他混凝土建筑物内部，测量建筑物伸缩缝的开合度。
经改装可制成表面裂缝计、基岩变位计、多点变位计等，同时可兼测埋设点的温度。
测缝计由上接座、钢管、波纹管、接线座和接座套筒等组成仪器外壳。
外套塑料套以防止埋设时水泥浆灌入波纹管间隙内，保持伸缩自如。
主要技术参数
型号
CF-5
CF-5GY
CF-12
CF-12GY
CF-40
CF-40GY
CF-25
测量范围
拉伸mm
5
5
12
12
40
40
25
压缩mm
1
1
1
1
1～5
1～5
1～5
仪器长度mm
265
325
265
325
330
395
410
最大直径mm
φ37
φ47
φ47
φ41
最小读数mm/0.01%
0.015
0.04
0.07
0.042
温度测量范围℃
-25～+60
温度测量精度℃
±0.5
温度修正系数mm/℃
0.004
0.005
0.006
绝缘电阻MΩ
≥50
耐水压MPa
0.5
2
0.5
2
0.5
2
5
备注
CF-25：
两头法兰直径：
63mm，用于碾压坝
（二）渗流观测仪器
1、孔隙水压力计
孔隙水压力计型式、品类、厂家繁多，质量良莠不齐，请选择时按照前面所说的选型原则，慎重选用，对未经工程实际考验的仪器，应充分论证，避免不必要的损失。
国内工程因选型不慎的例子可谓屡见不鲜，当引以为戒。
①振弦式孔隙水压力计
振弦式孔隙水压力计国内外厂家很多，国外主要厂家有GEOKON、SINCO、ROCTEST公司，国内有南京水科院、葛南公司，江苏金坛5家、丹东3家。
以基康产品为例，介绍几种孔隙水压力计及其适用范围，没有特别推介之意，旨在说明其外部结构形式及性能指标。
A）4500S型4500AL（V）型标准压力计（渗压计）
4500型标准压力计用以测量流体压力，例如地下水位，坝体、土体的孔隙水压力等等。
也可以用来装在孔内，监测井和测压管的压力或水位。
4500AL型用于低压量程。
4500ALV型可自动进行大气压力变化的补偿。
所有型号压力计带热敏电阻测温以及雷击保护器。
技术参数
标准量程
（S型）0.35，0.7，1，1.75，3.5，5.25，7.0MPa；（AL/ALV型）:
35，70，175KPa
超量程
2×额定压力
灵敏度
0.025%F.S
精度
±0.1%F.S（±0.1%F.S任选）
线性
<0.5%F.S
长度×直径
（S型）133×19mm
（AL/ALV型）133×25mm
B）4500B、4500C型小直径压力计（渗压计）
这些压力计能在小直径、非标准的测压管中很好的用于自动化测量。
4500B型可放入19mm直径的管中，4500C可放入12mm直径的管中。
技术参数
标准量程
（B型）0.35，0.7，1.75，3.5，7.0Mpa；（C型）0.35，0.7，1.75MPa
超量程
2×额定量程
灵敏度
（B型）0.025%F.S；（C型）0.05%F.S
精度
±0.1%F.S
线性
<0.5%F.S（±0.1%F.S任选）
长度×直径
（B型）133×17.5mm；（C型）165×11mm
C）4500DP型钻入式压力计
4500DP型钻入式压力计在其坚固的外壳内装有传感器，并有一个EW钻杆螺纹和可折卸的尖端，将其拧到EW钻杆端部并将电缆穿过钻杆内孔，该压力计可以被直接推进软土。
4500DP型钻入式压力计适用于软土、基坑、回填以及高温项目。
技术参数
标准量程
0.035～0.7MPa
超量程
2×额定压力
灵敏度
0.025%F.S
精度
±0.1%F.S
线性
<0.5%
长度×直径
203×38mm
D）4500HD型增强压力计
4500HD增强型压力计用来直接埋入土方或碾压混凝土里。
4500HD型与铠装电缆一起使用，以承受高强施工荷载，建议用于土坝及碾压混凝土坝。
技术参数
标准量程
0.035～0.7MPa
超量程
2×额定压力
灵敏度
0.025%F.S
精度
±0.1%F.S
线性
<0.5%
长度×直径
203×38mm
②差动电阻式
差动电阻式孔隙压力计是一种供长期测量混凝土或地基内孔隙水压力并能兼测温度的传感器。
在外界提供电源时，它所输出的电阻比变化量与孔隙压力变化量成正比，而输出的电阻值变化量与温度变化量成正比。
型号
SZ-2
SZ-4
SZ-8
SZ-16
SZ-4A
外形尺寸
最大直径mm
φ58
φ58
φ31
φ31
φ85
长度mm
140
140
140
140
144
压力测量范围kPa
0～200
0～400
0～800
0～1600
0～400
最小读数kPa
<1.471
<2.942
<5.884
<11.768
<1.5
线性及重复性
≤2%
温度测量范围℃
0～+40
温度测量精度℃
±0.5
温度灵敏度Ω/℃
≈0.2
温度修正系数kPa/℃
<1.471
<2.942
<2.942
<2.942
<1
绝缘电阻MΩ
≥50
2、测压管
又称竖管式孔隙水压力计，规范规定：
作用水头小于20m，渗透系数大于或等于10－4cm/s，宜采用测压管。
《水工建筑物测压管水位观测试行技术规范》（SDJ/SG751－65）是1965年颁布，如确须采用测压管，应注意花管的加工、反滤、防锈处理，据说已又钢管替代品，如不锈钢管、高强度塑管等，建议参照有关工程经验和实际应用效果加工和安装，并切实做好管外封堵埋设，避免客水渗入造成观测数据失真。
3、渗流量观测仪器
渗流量观测仪器有多种方式和型式，根据渗流量的大小，采用量水堰的方式或容积法观测。
对于设堰观测，观测仪器可分为接触式和非接触式两种方式：
接触式仪器一般通过测量堰上水头，再通过经验公式推算，有条件的情况下，应同时观测渗流水温，以便进行标准流量的换算。
非接触式主要为超声波仪器。
常用的观测仪器有微浮子式、电容式、微压式压阻传感器。
以振弦式为例介绍其安装使用及注意事项。
①微压压力传感器（4580型压力传感器）
4580型压力传感器用于非常低的流体压力测量，例如井中地下水位变化，河流的水位，量水堰、测流槽等等，可以测量出0.2mm的水面变化。
非通气型可用作气压计来测量大气压力的变化。
②量水堰仪
GEOKON公司产品，水位监测系统用振弦力传感器提供一种高灵敏度可靠的水位监测手段，其主要部件是悬挂在力传感器下的圆柱形重力浮子，重力浮子的一部分浸在水里，由于水面的变化，改变了圆柱形浮子的浮力，而直接作用在振弦传感器上，改变了它的张力，从而改变了它的谐振频率。
此种传感器是通气型，精度高。
不管是国内产品还是进口产品，通气型仪器可消除气压影响，这是优点；但用于高湿度区域有一定的限制，即通气管外接干燥器须定期烘干，否则一旦潮气进入传感器内腔，可能会造成仪器不可逆转的失效。
4675型量水堰仪安装时零点须现场确定，如精度要求较高，建议采用静水法；实在没有条件，可采用实测堰上水头后，反推零点。
如现场安装气压计，建议将通气管封闭，对测值进行气压修正。
注意：
气压修正的换算系数。
③ YL型电容式量水堰渗流量仪
量程:
80,100mm
综合精度:
±0.1～±0.3mm
长期零飘:
<0.5％F.S./年
温度系数:
<0.05％F.S./℃
3跟踪测针式水位计
量程:
200,400mm
综合精度:
±0.1～±0.2mm
（三）压力（应力应变）观测仪器
1、孔隙水压力
①振弦式孔隙水压力计
见渗流观测仪器
②差动电阻式孔隙水压力计
见渗流观测仪器
③双水管封闭式孔隙水压力计
宜用于施工期埋设，属人工测读系统：
人工充气、压力表读数。
④压阻式孔隙水压力计
精度高，一般可达1/100
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